一种基于多物理场特征融合的功率变换器预测性维护装置及方法与流程

本发明涉及电力电子设备运维，具体涉及一种基于多物理场特征融合的功率变换器预测性维护装置及方法。

背景技术：

1、以固态变压器（sst）为代表的模块化功率变换设备含有大量功率半导体器件与高频磁性元件，器件退化引发的非计划停机严重影响供电连续性。传统的定期检修与阈值告警方式无法提前识别退化趋势，预测性维护（phm）成为该领域的发展方向。

2、中国专利cn112214951b公开了一种基于分段式lstm的微网逆变器igbt可靠性评估方法，建立电热耦合模型获得结温，以分段式lstm预测老化进程并对模型参数进行老化修正，结合雨流计数与疲劳损伤理论计算累积损伤度与预估寿命；该案特征维度为电-热两参量，不含冷却回路流体维度，且未将评估结果转化为维护调度。中国专利cn120873820b公开了一种基于数字孪生的电力变压器故障预测方法，构建多物理场耦合基准模型并经代理模型生成虚拟故障样本训练故障预测模型；该案面向油浸式电力变压器，故障模式为绕组与绝缘类故障，维护侧仅提供状态检修决策支持，未涉及维护窗口调度。

3、在维护调度一侧，中国专利cn116596512b公开了基于负荷预测确定检修时间窗口的电力运维方法，其维护对象为电网检修点位与人员调度；中国专利cn119919125b公开了基于ai的分布式储能设备预测性维护系统，按维护紧迫度生成含维护时间窗口的维护指令，其窗口不以变换器自身的负载预测确定，且维护对象为储能设备而非功率变换器模块；该案从属权项中的维护操作类型为电池单元替换、连接件紧固与散热系统清理，另有权项公开维护效果反馈与模型增量学习，均与本技术对功率模块执行的不停机维护操作不同。此外，sst故障预测与热管理决策的公开概念框架中虽提及负载预测曲线作为热管理决策输入，但未公开在低负载窗口内对功率模块主动触发维护操作。

4、把上述文献放在一起看，可以发现一个共同的断点：故障预测与维护调度各说各话。预测类方案算出了寿命或健康度，却停在了评估层面，特征里也没有冷却回路这一维；调度类方案会安排检修窗口，但触发依据不是设备级的多物理场故障概率，窗口依据不是变换器自己的负载预测，维护动作也落不到功率模块级的不停机操作上，至于维护干到一半负载回升了怎么办，更没有人给出处置办法。

5、申请人在本技术的同一申请日另行提交《一种多物理场耦合的功率变换器实时协同控制装置及方法》《一种基于负载预测的功率变换器前馈预调节装置及方法》与《一种模块化功率变换器的一致性自适应控制装置及方法》三件发明专利申请。本技术涉及基于故障概率预测与低负载窗口的预测性维护；上述三件同日申请分别涉及多物理场实时协同控制、负载预测前馈预调节以及一致性自适应分配。本技术引用负载预测的目标功率轨迹仅用于确定维护窗口，不以负载预测前馈控制为 技术实现要素： ；本技术中参数重校准的校准过程记录与回滚机制引用上述一致性自适应控制申请，不在本技术保护范围内。

技术实现思路

1、针对现有技术中故障预测与维护调度割裂、特征维度缺失以及维护执行中负载回升处置缺失的问题，本发明提供一种基于多物理场特征融合的功率变换器预测性维护装置及方法。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种基于多物理场特征融合的功率变换器预测性维护装置，包括：多物理场传感单元，用于采集功率变换器各功率模块的电磁特征信号、热特征信号以及流体特征信号，所述流体特征信号包括冷却液流量、冷却回路进出口温差以及冷板进出端压差中的至少两种；故障概率预测单元，用于对三维特征信号进行融合处理，输出各所述功率模块的故障概率，并依据所述流体特征信号计算冷却效率、将冷却效率的下降速率作为冷却回路的退化特征量参与融合处理；维护窗口确定单元，用于接收外部负载预测单元输出的未来时间窗内负载的目标功率轨迹，并依据所述目标功率轨迹确定低负载窗口，所述低负载窗口为负载低于额定功率的30%且持续时间不小于维护操作所需时间的时间段；维护执行单元，用于在故障概率超过设定阈值时，若当前时刻处于低负载窗口内则立即启动对对应功率模块的不停机维护操作，否则暂缓至下一低负载窗口启动，所述不停机维护操作包括功率模块轮换检修、降额运行或参数重校准；维护执行期间负载回升超过额定功率的30%时，暂停维护操作并恢复对应功率模块的运行，待下一低负载窗口继续执行。

4、在上述方案基础上，所述故障概率预测单元对三维特征信号进行归一化加权融合，各项权重之和为1，且电磁特征与热特征的权重各为0.3至0.45，流体特征的权重为0.1至0.3，融合结果经故障概率模型映射为故障概率。

5、其中，所述电磁特征信号包括输出电流谐波畸变率、母线电压纹波以及功率器件开关参数漂移量中的至少两种；所述热特征信号包括功率器件的温升速率与估算结温。

6、作为进一步的限定，所述功率模块轮换检修为：将故障概率超阈值的功率模块的功率任务转移至其余模块后电气隔离并检修；所述降额运行为：限制该模块的功率上限；所述参数重校准为：触发该模块的自校准流程，校准过程的记录与回滚机制不在本技术保护范围内。

7、作为更进一步的限定，所述维护执行单元按三级阈值体系分级触发维护动作：故障概率超过第一阈值时于低负载窗口内执行降额运行，超过第二阈值时于低负载窗口内执行功率模块轮换检修，超过紧急阈值时不等待低负载窗口、立即执行降额运行；超过设定等待时间仍未出现满足条件的低负载窗口时，在目标功率轨迹预示的负载最低时段执行降额运行，并输出运维提示信号；所述第一阈值低于所述第二阈值，所述第二阈值低于所述紧急阈值。

8、本发明同时给出一种基于多物理场特征融合的功率变换器预测性维护方法，包括以下步骤：s301：采集各功率模块的电磁、热、流体三维特征信号；s302：融合处理输出各模块的故障概率，并依据流体特征信号计算冷却效率、以其下降速率作为冷却回路退化特征量参与融合；s303：依据负载预测的目标功率轨迹确定低负载窗口；s304：故障概率超阈值时，在低负载窗口内对对应模块执行不停机维护操作，维护期间负载回升超阈值则暂停并恢复模块运行，待下一窗口继续；s305：维护完成后评估效果并更新故障概率模型。

9、本发明能够取得的有益效果，可以归纳为以下几条：

10、（1）打通了故障预测与维护调度之间的断点：故障概率负责触发、低负载窗口负责择时、模块级不停机维护负责执行，预测结果不再停留在评估报告里，而是直接变成维护安排；

11、（2）补上了冷却回路这一观测维度：以冷却效率的下降速率作为退化特征量，冷板微通道结垢、泵性能衰减这类电热特征抓不住的缓变退化，由此也能提前露头；

12、（3）维护动作不拖累供电：维护安排在低负载窗口内执行，负载一旦回升便暂停维护、恢复模块运行，留待下一窗口继续，供电连续性不受影响；

13、（4）安全与质量各有退路：三级阈值体系下，紧急故障不等窗口立即降额，普通故障按窗口调度，迟迟等不到窗口则在负载最低时段兜底降额，既不会拿调度纪律去压器件安全，也不会拿即时响应去牺牲供电质量；

14、（5）效果可以外部验证：在规定测试条件下，对功率模块退化故障的预警提前量预期可达24小时以上，误报率预期可控制在5%以内；上述效果可按说明书给出的测量协议在台架上从外部测量并复现，无需获取控制程序源代码。